陳大薇 張永亮 段鵬飛 袁成

摘要：????? 數(shù)據(jù)鏈技術(shù)隨著武器裝備、 作戰(zhàn)理念及通信技術(shù)的發(fā)展而不斷更新?lián)Q代， 在“無鏈不成導(dǎo)” “無導(dǎo)不成戰(zhàn)”的空中作戰(zhàn)趨勢下占有重要地位。 高超聲速飛行器獨有的高速、 跨域等特點使得其成為空戰(zhàn)體系中的制高點。 數(shù)據(jù)鏈技術(shù)為高超聲速飛行器作戰(zhàn)效能最大化提供技術(shù)保障， 反過來高超聲速飛行器的發(fā)展也拓寬了數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的邊界， 在不同的作戰(zhàn)任務(wù)中對數(shù)據(jù)鏈指標(biāo)參數(shù)的要求（傳輸速率、 吞吐量、 丟包率、 延時等）不盡相同。 近年來， 5G、 物聯(lián)網(wǎng)、 云計算、 人工智能等新興技術(shù)的飛速發(fā)展加速了戰(zhàn)場態(tài)勢感知形式從物理域、 信息域向認(rèn)知域的變革。 本文簡要回顧了美軍數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的發(fā)展特點， 詳細(xì)分析了高超聲速飛行器由大包線飛行特性引發(fā)的數(shù)據(jù)鏈技術(shù)設(shè)計挑戰(zhàn)， 探討了高超聲速飛行器數(shù)據(jù)鏈的頂層需求及關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：???? 高超聲速飛行器； 空戰(zhàn)體系； 數(shù)據(jù)鏈； 5G通信； 人工智能

中圖分類號：??? ???TJ760； TN929.5? ??文章編號：??? ?1673-5048（2023）04-0026-07

文獻標(biāo)識碼：??? A? ? DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2023.0071

0引言

回顧百年空戰(zhàn)史， 作戰(zhàn)理論一直推陳出新， 雖然武器裝備和關(guān)鍵技術(shù)不斷更新?lián)Q代， 但制勝機理卻貫穿始終， 即構(gòu)建空戰(zhàn)雙方攻擊閉環(huán)的時間差［1］。 高超聲速飛行器因其自身的高超聲速性能（飛行速度大于聲速的5倍）可實現(xiàn)殺傷鏈的快速閉合， 具有速度快、 距離遠(yuǎn)、 突防能力強、 攻擊目標(biāo)范圍廣等優(yōu)點［2］， 早已成為美俄等軍事強國的重點研究領(lǐng)域。 面對“無鏈不成導(dǎo)”“無導(dǎo)不成戰(zhàn)”的空戰(zhàn)態(tài)勢， 在先進的戰(zhàn)斗機及高超聲速飛行器等裝備的基礎(chǔ)上， 擁有先進的數(shù)據(jù)鏈技術(shù)及強大的態(tài)勢感知能力， 就擁有了決定空戰(zhàn)勝負(fù)的重要力量［3-4］。

數(shù)據(jù)鏈技術(shù)作為高超聲速飛行器的關(guān)鍵技術(shù)之一［5］， 對于飛行器本身而言， 可通過數(shù)據(jù)鏈來宏觀調(diào)控飛行過程中各階段（高速飛行、 巡航偵察等）的能量分配、 功率消耗及飛行航跡； 對于飛行器所在的網(wǎng)絡(luò)空間， 可通過數(shù)據(jù)鏈來統(tǒng)籌規(guī)劃各種鏈路資源， 根據(jù)不同作戰(zhàn)任務(wù)來進行戰(zhàn)場決策， 實現(xiàn)戰(zhàn)場資源最優(yōu)化、 作戰(zhàn)效能最大化。

雖然高超聲速飛行器研究歷時已久， 但大多聚焦于高超聲速飛行器的飛行控制［6］、 能量管理［7］、 制導(dǎo)方法［8］等方面， 很少專門研究高超聲速飛行器的數(shù)據(jù)鏈技術(shù)。 本文在數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的基礎(chǔ)上， 對高超聲速飛行器數(shù)據(jù)鏈技術(shù)進行了分析。

1高超聲速飛行器數(shù)據(jù)鏈的發(fā)展以及特性分析

為確保高超聲速飛行器充分發(fā)揮自身強大的作戰(zhàn)效能， 需要其數(shù)據(jù)鏈技術(shù)具備以下特點： 高傳輸速率、 超低時延、 強抗毀抗擾能力、 加密安全傳輸、 支持快速組網(wǎng)及切換、 鏈路全方位深度覆蓋等。 縱觀美軍數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的發(fā)展， 戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈通過視距通信實現(xiàn)聯(lián)合指揮控制、 信息態(tài)勢共享等功能， 側(cè)重聯(lián)合指揮控制信息的基本傳輸， 但數(shù)據(jù)傳輸速率較低、 實時性不高； 寬帶數(shù)據(jù)鏈針對偵察機等裝備可實現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)傳輸速率， 支持C， S， X， Ku等多波段傳輸， 主要應(yīng)用于各種偵察平臺（如偵察機、 無人機、 衛(wèi)星等）， 其中適用于微型/小型平臺之間的數(shù)據(jù)鏈， 其傳輸距離均在50 km內(nèi)； 專用數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用于特殊軍事戰(zhàn)術(shù)領(lǐng)域， 針對性較強， 相比于戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈， 功能相對單一且信息交換形式的靈活性較弱， 如制導(dǎo)武器專用數(shù)據(jù)鏈、 防空導(dǎo)彈系統(tǒng)專用數(shù)據(jù)鏈、 協(xié)同作戰(zhàn)能力及態(tài)勢感知數(shù)據(jù)鏈等［9］。 以美軍AIM-120空空導(dǎo)彈為例， 其所使用的雙向X波段的機彈數(shù)據(jù)鏈支持與載機在中制導(dǎo)階段的信息傳輸， 具備超視距通信能力及一定的保密抗干擾能力。 但是， 隨著新一代武器裝備的飛行速度越來越快、 攻擊距離越來越遠(yuǎn)， 其對強協(xié)同、 大機動、 高隱身等特性的需求也在不斷提升， 通信技術(shù)的飛速發(fā)展為推進數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的更新迭代提供了有力支撐［10］。 在數(shù)據(jù)鏈技術(shù)演進過程中， 歷經(jīng)從無抗干擾措施到多維域聯(lián)合抗干擾、 從集中式通信鏈路到去中心化分布式組網(wǎng)通信、 從多標(biāo)準(zhǔn)格式到J/K系列消息標(biāo)準(zhǔn)、 從視距傳輸?shù)匠暰鄠鬏敗?從點對點傳輸模式到聯(lián)合組網(wǎng)傳輸?shù)榷鄠€典型的發(fā)展階段［11-13］。 現(xiàn)階段， 美國多家公司已先后進行了武器裝備聯(lián)網(wǎng)的試驗驗證， 如洛克希德·馬丁公司推出的聯(lián)合空面防區(qū)外導(dǎo)彈JASSM、 雷神公司推出的聯(lián)合防區(qū)外武器JSOW、 波音公司推出的聯(lián)合制導(dǎo)攻擊彈藥JDAM和小直徑炸彈SDB等［14］。

高超聲速飛行器作為新一代武器裝備的代表， 在距離地面20～100 km范圍內(nèi)機動飛行， 主要包括高超聲速導(dǎo)彈、 空天飛機、 高超聲速偵察機等， 其典型的動力學(xué)特點、 飛行航跡及作戰(zhàn)任務(wù)等特性對數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的設(shè)計帶來了諸多挑戰(zhàn)。

1.1跨域飛行， 信道復(fù)雜

高超聲速飛行器飛行于臨近空間， 垂直高度跨度大， 既包含天氣變化較平穩(wěn)的平流層（55 km以下）， 也包含空氣稀薄的中間層（55～85 km）， 還包含小部分增溫層（85～100 km）， 并縱跨非電離層（60 km以下）和電離層（60～100 km）兩種具有完全不同特點的空間。 數(shù)據(jù)鏈作為鏈接戰(zhàn)場不同平臺及裝備之間的紐帶， 按需及時處理、 傳輸戰(zhàn)術(shù)信息。 信息在自由空間內(nèi)主要以電磁波、 光波等形式進行傳輸， 以電磁波為例， 其傳輸?shù)男诺拉h(huán)境復(fù)雜程度將直接影響信息傳輸?shù)馁|(zhì)量（準(zhǔn)確性、 實時性、 傳輸速率等）， 進一步影響高超聲速飛行器自身的態(tài)勢感知、 姿態(tài)控制、 作戰(zhàn)策略規(guī)劃等。 由此可見， 有必要對臨近空間的電磁特性進行研究， 以便采用相應(yīng)的技術(shù)手段提升高超聲速飛行器數(shù)據(jù)鏈在復(fù)雜電磁空間中的魯棒性。

1.2高速運抵， 實時性高

高超聲速飛行器飛行速度快， 對傳輸指令的實時性要求很高。 處于高超聲速運動的飛行器， 其表面會出現(xiàn)明顯的高超聲速效應(yīng)（高超聲速流的薄激波層、 高熵層、 黏性干擾、 高溫效應(yīng)、 低密度流等）， 具有復(fù)雜的氣動熱特性。 從數(shù)據(jù)鏈的角度來看， 在35～80 km的大氣層中， 以大于馬赫數(shù)為10的速度運動時， 產(chǎn)生的熱量將使飛行器周圍的空氣形成等離子鞘套［15］， 屏蔽部分電磁波， 無法進行有效通信， 即黑障效應(yīng)。 在進行高超聲速飛行器航跡規(guī)劃及通信鏈路時隙分配時， 需充分考慮這類現(xiàn)象， 采取相應(yīng)技術(shù)手段或戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)略以有力規(guī)避其帶來的影響。 例如， 可以采用間歇通信的方式進行傳輸， 避免在惡劣信道環(huán)境下持續(xù)通信造成的資源浪費， 也可以設(shè)計合理的戰(zhàn)術(shù)規(guī)避策略， 縮短飛行器處于惡劣信道環(huán)境的時間， 進而優(yōu)化高超聲速飛行器的資源能量分配及機動能力規(guī)劃。

1.3任務(wù)多變， 機動響應(yīng)

高超聲速飛行器在飛行過程中， 通過舵的偏轉(zhuǎn)來調(diào)整自身的飛行姿態(tài)， 完成巡航、 突防、 空間往返等不同戰(zhàn)場任務(wù)。 不同的任務(wù)對高超聲速飛行器的機動性、 快速響應(yīng)能力要求不盡相同。 另外， 高超聲速飛行器的作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃會隨著戰(zhàn)場環(huán)境的變化而實時變化。 高超聲速飛行器發(fā)射前， 通過數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)綜合戰(zhàn)場態(tài)勢進行決策， 完成其發(fā)射前的自檢工作， 并制定初步的航跡規(guī)劃進行裝訂； 在巡航過程中， 后方指揮控制中心根據(jù)戰(zhàn)場任務(wù)確定是否需要通過數(shù)據(jù)鏈與高超聲速飛行器通信， 如原航跡規(guī)劃任務(wù)突變、 安全受到威脅或無法實現(xiàn)原定計劃等， 通過傳輸新的航跡信息或態(tài)勢變化信息以輔助高超聲速飛行器自身規(guī)劃新的航跡， 進行實時任務(wù)規(guī)劃。 構(gòu)建靈活、 穩(wěn)健的通信網(wǎng)絡(luò)可使高超聲速飛行器的強機動能力在戰(zhàn)場中發(fā)揮出最大效能。

1.4智能發(fā)展， 體系保障

高超聲速飛行器由于難以預(yù)測的氣動熱特性及多變復(fù)雜的周圍環(huán)境， 使其具有明顯的動力學(xué)不確定性。 因此， 如何使高超聲速飛行器對自身有限能量進行合理、 高效、 智能地規(guī)劃， 是保證順利完成戰(zhàn)場任務(wù)的重要前提。 對于可重復(fù)使用的高超聲速飛機， 如引入智能技術(shù)， 可在有限的資源能量供給下， 智能規(guī)劃確定何時需要較小能量保持姿態(tài)飛行， 何時需要較大能量進行機動， 以實現(xiàn)效能最大化； 對于高超聲速導(dǎo)彈， 由于需要在特定時間內(nèi)到達(dá)特定區(qū)域進行打擊任務(wù)， 此時需要在整體能量有限的約束條件下高效規(guī)劃各個階段的任務(wù)分配及資源能量消耗， 保證成功完成打擊任務(wù)過程中智能分選并回傳所探測到的高價值態(tài)勢信息， 使作戰(zhàn)體系的信息態(tài)勢共享達(dá)到最大化［16］。

2高超聲速飛行器數(shù)據(jù)鏈技術(shù)架構(gòu)

數(shù)據(jù)鏈技術(shù)是實現(xiàn)高超聲速飛行器殺傷鏈高效、 快速閉合的有力支撐。 空戰(zhàn)戰(zhàn)場殺傷鏈的發(fā)展， 無論是美國空天軍協(xié)會提出的F2T2EA（發(fā)現(xiàn)、 鎖定、 跟蹤、 瞄準(zhǔn)、 交戰(zhàn)、 評估）， 還是美國空軍博依德上校提出的OODA環(huán)理論（觀察、 判斷、 決策、 行動）， 亦或是C4ISKR系統(tǒng)（戰(zhàn)場指揮、 控制、 通信、 計算機、 殺傷、 情報、 監(jiān)視、 偵察系統(tǒng)）， 其內(nèi)核均源于“順序作戰(zhàn)”， 而未來信息化戰(zhàn)場作戰(zhàn)將由“順序作戰(zhàn)”向“同步作戰(zhàn)”、 “殺傷鏈”向“殺傷網(wǎng)”、 “靜態(tài)固化鏈”向“動態(tài)靈活網(wǎng)”趨勢跨越式發(fā)展［17］。

作為殺傷鏈閉合的技術(shù)支撐， 數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的核心是數(shù)字通信技術(shù)， 包括信息傳輸技術(shù)、 組網(wǎng)技術(shù)、 信息處理技術(shù)等， 多種通信技術(shù)的高效融合可有力支撐數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的構(gòu)建， 進而有效保障殺傷鏈高效閉合［18］。 高超聲速飛行器數(shù)據(jù)鏈技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。 其中， 應(yīng)用層中實現(xiàn)的作戰(zhàn)任務(wù)， 是從戰(zhàn)術(shù)層面給出典型的任務(wù)場景， 包括巡航偵察、 誘偏突防、 協(xié)同打擊等； 物理層針對信息傳輸技術(shù)， 通過波形選擇、 編譯碼技術(shù)及魯棒性算法實現(xiàn)強對抗環(huán)境下抗截獲通信； 建鏈層針對網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及組網(wǎng)技術(shù)的突破， 從抗毀抗擾、 網(wǎng)絡(luò)動態(tài)接入、 網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化等方面保障跨域高動態(tài)高可靠自組網(wǎng)的建立； 處理層針對態(tài)勢信息融合進行信息處理， 通過多維域信息融合處理， 有效進行路由選擇、 協(xié)同控制， 進而構(gòu)建戰(zhàn)場態(tài)勢智能感知智能融合匯聚決策及聯(lián)合優(yōu)化等關(guān)鍵能力［19］。 本節(jié)主要針對高超聲速飛行器數(shù)據(jù)鏈中關(guān)于物理層、 建鏈層及處理層的技術(shù)能力構(gòu)建進行深入分析。

目前， 通信技術(shù)以5G（5th Generation Mobile Communication）、 物聯(lián)網(wǎng)、 云計算、 區(qū)塊鏈等新興技術(shù)為典型代表， 正向著“萬物互聯(lián)、 全域覆蓋”的方向飛速發(fā)展［20］。 除了武器裝備的超高速、 超遠(yuǎn)距、 強協(xié)同等高需求的驅(qū)動外， 通信技術(shù)作為數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的核心， 其相應(yīng)技術(shù)的革新也將驅(qū)動數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的更新迭代。 高超聲速飛行器數(shù)據(jù)鏈技術(shù)面臨著全維跨域協(xié)同決策、 信息跨鏈智能融合的軍事發(fā)展需求， 迫切需要構(gòu)建“跨域網(wǎng)、 動態(tài)鏈、 智能端”為主體架構(gòu)的高超聲速飛行器智能數(shù)據(jù)鏈， 從而形成強對抗環(huán)境下跨鏈抗截獲通信技術(shù)、 跨域高動態(tài)高可靠自組網(wǎng)技術(shù)、 戰(zhàn)場態(tài)勢智能感知融合匯聚決策技術(shù)等數(shù)據(jù)鏈關(guān)鍵技術(shù)譜系， 對戰(zhàn)場通信資源進行智能匯聚及聯(lián)合優(yōu)化， 確?！拔渎?lián)網(wǎng)”的有力構(gòu)建及強殺傷鏈的有效閉合。

2.1強對抗環(huán)境下跨鏈抗截獲通信技術(shù)

隨著電子對抗技術(shù)的螺旋上升式發(fā)展， 反高超聲速飛行器的通信技術(shù)及裝備同樣呈現(xiàn)出愈來愈強的發(fā)展態(tài)勢。 為保證高超聲速飛行器的作戰(zhàn)能力， 在對其可能遇到的電子對抗技術(shù)進行深入研判的基礎(chǔ)上， 綜合分析各種可用的數(shù)據(jù)鏈保障技術(shù)， 以達(dá)到最優(yōu)的態(tài)勢感知效果， 使高超聲速飛行器及時準(zhǔn)確進行機動決策， 充分發(fā)揮空戰(zhàn)效能。

強對抗環(huán)境下跨鏈抗截獲通信技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)及相應(yīng)技術(shù)手段總結(jié)如圖2所示。

2.1.1強抗毀抗擾技術(shù)

高超聲速飛行器數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)在復(fù)雜的戰(zhàn)場電磁環(huán)境中， 易受敵電子干擾壓制及無線網(wǎng)絡(luò)攻擊， 因此構(gòu)建高超聲速飛行器數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的強抗毀抗擾能力十分重要。 目前， 針對電子對抗、 網(wǎng)絡(luò)入侵等攻擊手段， 需要高超聲速飛行器數(shù)據(jù)鏈技術(shù)在信號波形的選擇、 編碼方式的設(shè)計、 功率能量的控制、 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臉?gòu)建等方面著重考慮， 綜合時域、 頻域、 空域、 功率域、 信號域、 信息域、 認(rèn)知域及網(wǎng)絡(luò)域等多方面進行技術(shù)突破［21］。 現(xiàn)有的面向指揮控制的數(shù)據(jù)鏈技術(shù)多采用擴頻、 高速跳頻、 跳時、 高維編碼、 強糾錯編碼、 交織、 分級發(fā)射等技術(shù)實現(xiàn)抗干擾， 同時， 毫米波相控陣定向天線技術(shù)、 自適應(yīng)功率控制技術(shù)、 低截獲概率波形技術(shù)等通信技術(shù)也被廣泛應(yīng)用。 而對于高超聲速飛行器的數(shù)據(jù)鏈抗毀抗擾技術(shù)， 鑒于高超聲速飛行器自身的高速特點， 部分技術(shù)是無法直接應(yīng)用的， 如擴頻、 跳頻的信息域方法， 需要較高的兆級下行速率； 對于定向波束的功率域方法， 難以適應(yīng)高速移動的情況。 由此可見， 僅依靠通信技術(shù)的突破很難全方位保障高超聲速飛行器的可靠、 穩(wěn)定通信， 需要從頂層架構(gòu)的角度進行設(shè)計， 一方面可以借助于所在網(wǎng)絡(luò)整體的抗毀抗擾能力的提升， 來保證高超聲速飛行器在網(wǎng)絡(luò)域中的強抗毀抗擾能力； 另一方面， 通過不同情況下使用不同數(shù)據(jù)鏈的方法， 整合各數(shù)據(jù)鏈優(yōu)勢， 以高效實現(xiàn)高超聲速飛行器自身的強魯棒性。

2.1.2跨鏈通信技術(shù)

針對不同功能的數(shù)據(jù)鏈， 高超聲速飛行器在飛行過程中， 無論是因為陸、 海、 空、 天跨域引起的跨鏈， 還是由于高超聲速飛行器自身作戰(zhàn)任務(wù)的需求， 亦或是保持自身鏈路的高魯棒性及安全性， 均會涉及數(shù)據(jù)鏈的跨鏈選擇問題。 快速、 合理地選擇合適的數(shù)據(jù)通信鏈路， 是高效適配不同應(yīng)用場景下不同任務(wù)需求的關(guān)鍵。 未來的復(fù)雜戰(zhàn)場中， 單一數(shù)據(jù)鏈技術(shù)功能難以保障多種差異化任務(wù)， 未來戰(zhàn)場的數(shù)據(jù)鏈發(fā)展必然呈現(xiàn)出多種異構(gòu)數(shù)據(jù)鏈共存、 互為補充的態(tài)勢［22］。 如何自主選擇、 快速配置最佳數(shù)據(jù)鏈， 是各平臺、 武器裝備面臨的共同問題。 高超聲速飛行器作為重點開發(fā)的武器裝備， 需要具備自主智能地進行數(shù)據(jù)鏈選擇、 數(shù)據(jù)鏈配置、 數(shù)據(jù)鏈重構(gòu)等功能。 基于智能計算方式的數(shù)據(jù)鏈適變方法， 可以通過選擇主數(shù)據(jù)鏈、 輔數(shù)據(jù)鏈及多數(shù)據(jù)鏈協(xié)同的方式進行結(jié)合， 定制優(yōu)先級策略。 當(dāng)主數(shù)據(jù)鏈的性能不足以滿足高超聲速飛行器當(dāng)前的作戰(zhàn)需求時， 可以切換至輔數(shù)據(jù)鏈， 同時整合其他可用數(shù)據(jù)鏈信息， 以協(xié)同高超聲速飛行器實現(xiàn)信息融合、 態(tài)勢感知和作戰(zhàn)能力的提升。

2.1.3加密抗截獲技術(shù)

高超聲速飛行器數(shù)據(jù)鏈進行自主選擇及切換過程中會受到敵攻擊， 存在信息被截獲的風(fēng)險。 對此， 需要針對性地采取措施。 一方面， 需對可信終端的身份進行認(rèn)證， 嚴(yán)選接入控制； 另一方面， 需簡化身份認(rèn)證的協(xié)議設(shè)計， 保證高超聲速飛行器快速入網(wǎng)。 兩者相互制約， 最終需要識別惡意身份偽造的同時， 保證可信用戶的服務(wù)質(zhì)量要求（QoS）， 滿足快速入網(wǎng)/退網(wǎng)的實時需求。 另外， 對于多數(shù)據(jù)鏈的協(xié)同管理， 需構(gòu)建信息安全感知體系， 提升共享信息的抗偽造性與抗篡改性， 保證信息的高抗截獲性。 目前， 這方面可參考的通信技術(shù)很多。 在信號階段， 可采用隨機信號或類噪聲信號傳輸信息， 將信息隱藏在信道中， 實現(xiàn)隱蔽、 安全傳輸； 在編碼階段， 可采用配有時變密鑰的高保密通信技術(shù)， 使非可信用戶即使截獲信息也無法破譯， 而可信用戶可通過解密的傳輸信息知曉信息是否被截獲、 被篡改、 被偽造； 在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建階段， 可對身份認(rèn)證機制進行多層加密， 保證可信用戶快速接入， 而非可信用戶在進行嘗試性破譯時， 信息已經(jīng)損壞， 以此來構(gòu)建多層高超聲速飛行器數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的防護機制， 實現(xiàn)高超聲速飛行器的高度安全性。

2.2跨域高動態(tài)高可靠自組網(wǎng)技術(shù)

相比于戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈（Link系列）傳輸速率有限、 組網(wǎng)靈活性受限、 易截獲等特點， 高超聲速飛行器所使用的數(shù)據(jù)鏈， 需要具有高動態(tài)、 高可靠性、 高傳輸速率、 低傳輸延時、 靈活組網(wǎng)等特點， 且可橫跨陸、 海、 空、 天各域。 隨著數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的發(fā)展， 目前美軍典型數(shù)據(jù)鏈技術(shù)有協(xié)同作戰(zhàn)能力（CEC）、 戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)瞄準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（TTNT）、 機間數(shù)據(jù)鏈（IFDL）、 多功能先進數(shù)據(jù)鏈（MADL）和武器數(shù)據(jù)鏈（WDL）等［23-25］。 其中， TTNT可實現(xiàn)高速飛行器之間的通信傳輸， 但其一跳的通信距離不足200 km。 因此， 針對高超聲速飛行器高速飛行的特點， 需要構(gòu)建超遠(yuǎn)程、 高速率、 大寬帶、 低延時、 靈活組網(wǎng)、 抗截獲的智能數(shù)據(jù)鏈， 才能有效保障高超聲速飛行器根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢自主靈活選擇最優(yōu)鏈路和平臺進行組網(wǎng)通信、 實時傳輸， 以大幅提升高超聲速飛行器的作戰(zhàn)靈活性及協(xié)同作戰(zhàn)能力。

2.2.1拓寬通信覆蓋范圍， 增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量

高超聲速飛行器可在短時間內(nèi)按預(yù)定航跡飛至敏感地區(qū)， 執(zhí)行偵察、 攻擊等任務(wù)， 但其功能單一且靈活性弱。 另外， 在復(fù)雜強電磁環(huán)境下， 高超聲速飛行器的數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)执嗳酰?將面臨通信鏈路中斷或信息傳輸不及時等諸多問題。 構(gòu)建全面深度覆蓋的數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)體系可有效保障高超聲速飛行器在飛行全過程中的靈活性及安全性。 當(dāng)前， 面向弱覆蓋區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題， 一方面， 需要加大網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的部署及其感知范圍， 可通過偵察衛(wèi)星、 空中中繼平臺、 無人長航時偵察機等裝備實現(xiàn)全天候、 全周期、 全方位的覆蓋， 也可考慮低成本、 無污染、 可自行分解的傳感器的廣泛布設(shè)來實現(xiàn)深度覆蓋； 另一方面， 可開發(fā)更低信噪比條件下的目標(biāo)檢測技術(shù)， 如利用量子成像技術(shù)實現(xiàn)對隱身戰(zhàn)機的識別與偵察， 或弱信號檢測技術(shù)將信噪比下限下降一個數(shù)量級等。 面向大幅增加的數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點引起的干擾及網(wǎng)絡(luò)容量分配問題， 需要考慮超密集組網(wǎng)技術(shù)來設(shè)置臨時中心節(jié)點， 通過通信能力及處理能力較強的臨時中心節(jié)點進行組網(wǎng)， 有效解決子網(wǎng)絡(luò)的干擾、 資源協(xié)同、 拓?fù)涔芾淼葐栴}， 提升空域、 頻域的利用率。 其中， 在5G技術(shù)中發(fā)展較好的是非正交多址接入技術(shù)（NOMA）［26］， 通過采用時、 頻、 空域及編碼域的混合傳輸方式， 大大提升了5G網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)量， 進而提升頻譜利用率。 但NOMA對多普勒偏移較敏感， 在高超聲速飛行器數(shù)據(jù)鏈技術(shù)應(yīng)用中還處于研究階段。

2.2.2跨域網(wǎng)絡(luò)實時切換， 通信安全加密保障

高超聲速飛行器的高速、 高機動特性注定了其不會只存在于單一功能的網(wǎng)絡(luò)中， 在陸、 海、 空、 天一體化網(wǎng)絡(luò)中將會從一種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)快速進入另一種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中。 因此， 高超聲速飛行器數(shù)據(jù)鏈需具備網(wǎng)絡(luò)快速切換的功能， 同時， 高效動態(tài)配置各網(wǎng)絡(luò)的通信資源也是提高網(wǎng)絡(luò)靈活性的重要手段； 另外， 構(gòu)建開放體系架構(gòu)可保證網(wǎng)絡(luò)切換過程中的實時性及安全性。 近年來， 新興發(fā)展的多種技術(shù)可以提供這方面的技術(shù)保障。 如自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)， 其重點強調(diào)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的自管理， 通過合理、 高效的拓?fù)湓O(shè)計與構(gòu)建， 可保證戰(zhàn)場中各裝備節(jié)點隨時快速進入/退出； 而網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)， 將物理網(wǎng)絡(luò)切分成多個彼此獨立的邏輯網(wǎng)絡(luò)， 根據(jù)不同的QoS來分配相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)功能和網(wǎng)絡(luò)資源， 有力實現(xiàn)定制化服務(wù)［27］。

2.2.3提升通信實時性， 構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)云平臺

高超聲速飛行器的時敏性對其所在網(wǎng)絡(luò)的時延依賴性較強， 而其與計算能力較強的網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點間的距離也是影響時延的主要因素。 眾所周知， 通信鏈路的一跳與多跳路徑主要影響的通信指標(biāo)就是時間延遲。 在高超聲速飛行器的數(shù)據(jù)鏈技術(shù)中可考慮兩個方面技術(shù)優(yōu)化通信時延： 一是構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)邊緣云， 通過多接入邊緣計算（MEC）［28］將數(shù)據(jù)存儲和計算能力部署于更靠近戰(zhàn)術(shù)節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)邊緣， 以實現(xiàn)對高速率、 快切換的高超聲速飛行器功能實現(xiàn)提供有力保障； 二是通過采用設(shè)備直連技術(shù)（D2D）實現(xiàn)高動態(tài)網(wǎng)絡(luò)中戰(zhàn)術(shù)節(jié)點之間的直連， 實現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)中任一節(jié)點相連就如同與中心節(jié)點相連的計算能力， 以此來保證實現(xiàn)高超聲速飛行器數(shù)據(jù)鏈對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。 另外， 通過網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)、 優(yōu)化的路由選擇算法在一定程度上也可以有效降低網(wǎng)絡(luò)時延， 實際應(yīng)用中， 可以根據(jù)高超聲速飛行器的具體任務(wù)特點來選擇相應(yīng)的技術(shù)手段保障其通信鏈路的實時性。

跨域高動態(tài)高可靠自組網(wǎng)技術(shù)需要突破的瓶頸及相應(yīng)技術(shù)手段總結(jié)如圖3所示。

2.3戰(zhàn)場態(tài)勢智能感知融合匯聚決策技術(shù)

近年來， 飛速發(fā)展的通信技術(shù)為數(shù)據(jù)鏈未來發(fā)展指出了新的方向， 即以“融合網(wǎng)”“覆蓋云”“智能端”為特點的“武聯(lián)網(wǎng)”正蓬勃發(fā)展。

高超聲速飛行器數(shù)據(jù)鏈作為“武聯(lián)網(wǎng)”的重要一環(huán)， 通過可靠的數(shù)據(jù)傳輸鏈路、 高效的數(shù)據(jù)交互技術(shù)與實時的信息共享技術(shù)有力支撐跨域、 跨鏈、 跨平臺的體系架構(gòu)， 突破高動態(tài)、 資源受限、 復(fù)雜環(huán)境等制約因素， 對高超聲速飛行器全程提供智能保障鏈路。

2.3.1高靈敏度的感知技術(shù)

“蝴蝶效應(yīng)”告訴我們， 對微弱信息的感知預(yù)測能力， 有時可直接決定戰(zhàn)勢的走向。 面對未來作戰(zhàn)的智能化、 無人化、 平臺化、 去中心化的發(fā)展特點， 高超聲速飛行器作為數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的典型代表， 無論是準(zhǔn)備與其他裝備建立鏈接， 還是對自身周圍敵情進行探測， 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的感知能力都是重中之重。 為了提升高超聲速飛行器的自身探測感知能力， 實現(xiàn)與各類武器裝備之間的互聯(lián)互通互操作、 信息融合感知共享， 需要突破兩個方面的技術(shù)。 一方面， 是來自于其他裝備或平臺共享的信息， 這類信息在以往的數(shù)據(jù)鏈中多以戰(zhàn)術(shù)信息存在， 其典型特點是容量小、 易傳輸， 如打擊指令、 目標(biāo)定位及平臺狀態(tài)等。 未來的信息傳輸將向著海量傳輸信息的方向持續(xù)發(fā)展， 這部分可以參考民用移動通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展脈絡(luò)。 目前， 5G技術(shù)的發(fā)展如火如荼， 將其應(yīng)用在武器裝備中， 必將催生出新的作戰(zhàn)模式。 5G技術(shù)自有的萬物互聯(lián)特性大大促進了無人裝備的飛速發(fā)展， 其大容量傳輸速率、 低延時、 高頻譜效率等技術(shù)特點可以有效突破以往武器裝備專用數(shù)據(jù)鏈中通信容量的“瓶頸”［29］。 另一方面， 高超聲速飛行器自身感知信息的能力還有很大的發(fā)展空間， 面對海量數(shù)據(jù)的復(fù)雜環(huán)境， 感知所有信息是不切實際且無用的， 需要高超聲速飛行器自身構(gòu)建在海量數(shù)據(jù)中感知感興趣數(shù)據(jù)信息的技術(shù)， 其可以基于各域網(wǎng)絡(luò)或武器平臺的經(jīng)驗數(shù)據(jù)， 也可以源于自身在飛行過程中的智能解算。 面對重要的微弱小信號， 需要訓(xùn)練出像人類“第六感”一樣的高敏感度， 通過云邊端一體化技術(shù)， 保障對信息的高效處理速度及精度， 以此為高超聲速飛行器數(shù)據(jù)鏈提供高靈敏度的感知能力。

2.3.2高效靈活的融合匯聚技術(shù)

相比于探測領(lǐng)域內(nèi)的高靈敏度感知技術(shù)， 對于感知獲得的信息進行融合匯聚的技術(shù)則屬于信息處理領(lǐng)域。 高超聲速飛行器數(shù)據(jù)鏈的信息融合匯聚技術(shù)， 是鏈接其感知與決策的重要環(huán)節(jié)。 傳統(tǒng)意義上的信息融合， 是基于多傳感器、 多平臺、 多源信息， 按一定規(guī)則進行關(guān)聯(lián)、 估計、 分析、 匯集和綜合等多級多方面處理過程， 以實現(xiàn)高空間分辨力、 高準(zhǔn)確度的目標(biāo)信息、 完備的戰(zhàn)場信息等， 進而獲得完整的態(tài)勢感知和威脅估計。 而高超聲速飛行器數(shù)據(jù)鏈的信息融合能力， 在以往的信息融合基礎(chǔ)上， 還需要構(gòu)建兩種融合能力， 一是針對同一平臺上的多維、 多類、 多域信息的融合、 匯聚， 在提取低維特征的基礎(chǔ)上， 對高維特征進行構(gòu)建， 結(jié)合模式識別技術(shù)， 得到感興趣目標(biāo)的深層次理解； 另一種是從指揮決策的角度對各維各域獲得的信息進行聯(lián)合處理， 以實現(xiàn)多級融合， 獲得目標(biāo)信息的多維多域特征提取， 以便行動決策。 例如， 高超聲速飛行器在飛行過程中， 數(shù)據(jù)鏈在態(tài)勢感知的基礎(chǔ)上進行多維域信息融合， 可以預(yù)測按照原航跡行駛將會在何時何處面臨何種武器的攔截， 進而計算自身存活率及敵方威脅度等， 相應(yīng)列出自身將在何時何處以何種規(guī)避方案來應(yīng)對， 對應(yīng)確定各個方案的博弈策略、 機動消耗和整體效能， 以便高超聲速飛行器進行選擇決策。

2.3.3高度自主的智能決策技術(shù)

未來基于高超聲速飛行器殺傷網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建， 必然涉及武器裝備之間的要素聯(lián)合及協(xié)同作戰(zhàn)。 相比于針對作戰(zhàn)任務(wù)的協(xié)同作戰(zhàn)模式， 聯(lián)合作戰(zhàn)是針對作戰(zhàn)目標(biāo)而進行的統(tǒng)一的指揮作戰(zhàn)模式。 兩者區(qū)別在于， 戰(zhàn)斗層面的作戰(zhàn)目標(biāo)相比于戰(zhàn)役層面的作戰(zhàn)任務(wù)， 具有更高的動態(tài)性［29］。 因此， 協(xié)同作戰(zhàn)更側(cè)重時間、 空間的協(xié)同， 而聯(lián)合作戰(zhàn)則包含協(xié)同作戰(zhàn)及各軍兵種的統(tǒng)一編組、 指揮、 決策， 其高動態(tài)性、 高復(fù)雜性不言而喻。 如今， 諸多新興的通信技術(shù)為聯(lián)合作戰(zhàn)提供重要支撐， 一方面可以保障網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)信息傳輸?shù)膶崟r性以便各軍兵種進行聯(lián)合作戰(zhàn)， 另一方面可以通過作戰(zhàn)節(jié)點進行數(shù)據(jù)共享提升聯(lián)合作戰(zhàn)的態(tài)勢感知［30］。 兵法云“將在外， 君命有所不受”， 其強調(diào)的是在信息受限、 時間緊迫的條件下， 最了解敵情的人可以根據(jù)時勢做出最佳決策。 作為態(tài)勢感知的先行者， 高超聲速飛行器等武器裝備是最接近戰(zhàn)場中心也是最了解戰(zhàn)場情況的， 其獲得的信息是最有價值且最重要的。 隨著5G、 區(qū)塊鏈、 物聯(lián)網(wǎng)、 量子技術(shù)等新興技術(shù)的飛速發(fā)展， “武聯(lián)網(wǎng)”的構(gòu)建為高超聲速飛行器等武器裝備的智能決策提供了有力保障， 實現(xiàn)武器智能化自主決策能力的構(gòu)建未來可期。

戰(zhàn)場態(tài)勢智能感知融合匯聚決策技術(shù)中的難點問題及相應(yīng)技術(shù)手段總結(jié)如圖4所示。

3結(jié)論

高超聲速飛行器數(shù)據(jù)鏈技術(shù)隨著高超聲速飛行器的軍事需求、 新興通信技術(shù)的成功應(yīng)用而面臨著前所未有的挑戰(zhàn)和機遇。 高超聲速飛行器的高速特性使其數(shù)據(jù)鏈需具備高動態(tài)、 低時延、 靈活切換網(wǎng)絡(luò)及鏈路的功能； 高超聲速飛行器的對抗特性使得其必然面臨諸多敵方威脅， 其數(shù)據(jù)鏈需要具備抗截獲、 抗毀抗擾的強魯棒等性能， 對此， 可提供安全、 可靠鏈路保障的區(qū)塊鏈技術(shù)具備借鑒參考價值； 高超聲速飛行器具備的超遠(yuǎn)程飛行特性， 使得其在飛行過程中可以獲得寶貴的態(tài)勢感知信息， 提升自身的信息感知融合匯聚能力的同時， 可有效提升網(wǎng)絡(luò)、 鏈路及平臺的信息感知能力及覆蓋范圍。

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Analysis and Prospect of Key Technologies for Hypersonic Vehicle Data Link

Chen Dawei1*， Zhang Yongliang2， Duan Pengfei1，3，4， Yuan Cheng1

（1. Chinese Aeronautical Establishment， Beijing 100029， China；

2. Beijing Remote Sensing Equipment Research Institute， Beijing 100854， China；

3. Beihang University， Beijing 100191， China； 4. China Airborne Missile Academy， Luoyang 471009， China）

Abstract： With the development of weapons equipment， operational concepts， and communication technology， data link technology is updated constantly. Data link plays an important role in the trend of "no link， no missile" no missile， no war" in air combat. Hypersonic vehicles have become the commanding heights in the air combat system due to their unique characteristics， such as high speed and crossdomain. Data link technology provides support for maximizing the operational effectiveness of hypersonic vehicles. Conversely， the development of hypersonic vehicles broadened the boundaries of data link technology， and the requirements for index parameters （such as transmission rate， throughput， packet loss rate， and delay） vary in different combat missions. In recent years， the rapid development of emerging technologies such as 5G， the Internet of Things， cloud computing， and artificial intelligence has accelerated the continuous advancement of battlefield situational awareness from physical domains， and information domains to cognitive domains. Based on a review of the development of data links， this paper analyzes the challenges faced by hypersonic aircraft data links， which have the characteristics of large envelope flight. This paper discusses the toplevel requirements and key technologies of the hypersonic vehicle data link.

Key words： hypersonic vehicle； air combat system； data link； 5G communication； artificial intelligence